《現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)綜述》第四章總線技術(shù).ppt

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第四章,總線技術(shù),現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)綜述,計算機“神經(jīng)元”,回顧,控制器的基本功能CPU的性能指標奔騰處理器的體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程,目標,知道什么是總線了解總線在計算機系統(tǒng)中的重要地位掌握總線的分類掌握總線的組成與結(jié)構(gòu)了解PCI總線,電腦內(nèi)的總線構(gòu)成,,總線的概念和功能,概念：總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。功能：借助于總線連接，計算機在各系統(tǒng)功能部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭用資源的基礎(chǔ)上進行工作。,從輸入設(shè)備到存儲器從存儲器到CPU從CPU到存儲器從存儲器到輸出或存儲設(shè)備,單處理器系統(tǒng)總線的大致分類,(])CPU內(nèi)部連接各寄存器及運算部件之間的總線，稱為內(nèi)部總線。(2)CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件，如存儲器、通道等互相連接的總線，稱為系統(tǒng)總線。(3)實現(xiàn)主機系統(tǒng)與外部設(shè)備或其他主機系統(tǒng)之間的互聯(lián)的總線，稱為外部總線。,總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài),總線的特性,物理特性功能特性電氣特性時間特性,物理特性,總線的物理特性是指總線的物理連接方式包括：總線的根數(shù)總線的插頭插座的形狀引腳線的排列方式等等,功能特性,功能特性描述總線中每一根線的功能。地址總線的寬度指明了總線能夠直接訪問存儲器的地址空間范圍；數(shù)據(jù)總線的寬度指明了訪問一次存儲器或外設(shè)時能夠交換數(shù)據(jù)的位數(shù)；控制總線包括CPU發(fā)出的各種控制命令(如存儲器讀/寫、I/O讀/寫)，請求信號與仲裁信號，外設(shè)與CPU的時序同步信號，中斷信號，DMA控制信號等等。,電氣特性、時間特性,電氣特性定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。一般規(guī)定進入CPU的信號叫輸入信號(IN)，從CPU發(fā)出的信號叫輸出信號(OUT)。地址總線是單向輸出線，數(shù)據(jù)總線是雙向傳送的信號線，這兩類信號線都是高電平有效?？刂瓶偩€中各條線一般是單向的，有CPU發(fā)出的，也有進入CPU的。有高電平有效的，也有低電平有效的?？偩€的電平都符合TTL電平的定義。時間特性時間特性定義了每根線在什么時間有效。,總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài),采用總線實現(xiàn)互聯(lián)的優(yōu)勢,方便系統(tǒng)構(gòu)建、擴充系統(tǒng)性能,減少各個部件之間的連線數(shù)量,總線的分類,多種分類方法,按總線所承擔的任務(wù)按總線所處的物理位置按總線所傳送的信息類型按總線一次傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)按總線操作的定時方式,1按總線所承擔的任務(wù),可分為內(nèi)部總線和外部總線內(nèi)部總線用于實現(xiàn)主機系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊(部件)之間的互聯(lián)。外部總線用于實現(xiàn)主機系統(tǒng)與外部設(shè)備或其他主機系統(tǒng)之間的互聯(lián)。其中，專門用于主機系統(tǒng)與外設(shè)之間互連的總線稱為設(shè)備總線。許多設(shè)備總線常被叫做某某接口，例如SCSI接口、USB接口等。,2按總線所處的物理位置,可分為(芯)片內(nèi)總線、功能模塊(板)內(nèi)總線、功能模塊(板)間總線(即通常說的系統(tǒng)總線)和外部總線。片內(nèi)總線實現(xiàn)芯片內(nèi)部功能部件之間的連接，例如微處理器內(nèi)部使用的總線。功能模塊(板)內(nèi)總線實現(xiàn)該電路板上各個集成電路芯片之間的互聯(lián)。功能模塊(板)間總線則用于把各個功能模塊(如CPU、主存儲器、I/O接口適配器等)連接到一起，構(gòu)成主機系統(tǒng)，所以也稱它為系統(tǒng)總線。,其他分類法,3按總線所傳送的信息類型可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線等。4按總線一次傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)又分為串行總線(一次僅傳送一位二進制位，僅需設(shè)置一根數(shù)據(jù)信號線)和并行總線(一次同時傳送多位二進制位，需要設(shè)置多條平行數(shù)據(jù)信號線)。5按總線操作的定時方式，又有同步總線和異步總線之分。,微機中總線有非常多的說法，相互之間好像還有點矛盾，為什么？,總線伴隨著微機的發(fā)展而發(fā)展，曾用的、正用的、將用的舉不勝舉。從微機系統(tǒng)角度看，不同層次、不同部件間也有不同的總線。各種分類方法也使總線存在多種名稱。系統(tǒng)總線是個比較籠統(tǒng)的說法，一般指構(gòu)成微機系統(tǒng)的主要總線。例如16位PC機中，ISA總線就是系統(tǒng)總線?，F(xiàn)在的32位PC機主要采用PCI總線連接外設(shè)接口電路，雖然PCI總線的英文原意是“外設(shè)互連接口”總線，但鑒于它的重要作用，常常也就稱其為系統(tǒng)總線。而PCI總線是從所謂的“局部總線”概念引出的，所以過去也稱PCI總線為局部總線。當時“局部總線”就是指從CPU引腳引出的總線。,微機中總線有非常多的說法，相互之間好像還有點矛盾，為什么？,內(nèi)部總線的含義隨著微機發(fā)展也有變化。在早期的微機中，內(nèi)部總線只有一條，微機系統(tǒng)中的各個功能部件都與該總線相連，而這個總線也往往從CPU引腳延伸而來，所以這個總線起著舉足輕重的作用?？梢哉f，沒有這個總線也就無法連接各個部件無法構(gòu)成微機系統(tǒng)，所以稱早期微機的內(nèi)部總線為“系統(tǒng)總線”也就順理成章了。,微機中總線有非常多的說法，相互之間好像還有點矛盾，為什么？,隨著微機飛速發(fā)展，內(nèi)部總線從一條變?yōu)槎鄺l，功能由弱到強，也逐漸不與CPU有關(guān)。現(xiàn)代微型機中，內(nèi)部總線又可以分成：處理器總線（CPU引腳）、存儲器總線（專用于連接主存儲器系統(tǒng)）、系統(tǒng)總線、I/O擴展總線等。再例如，在PC機的發(fā)展過程中存在多種總線：IBMPC總線、IBMAT總線（經(jīng)標準化后稱為ISA總線），EISA總線、VESA總線、PCI總線。還有AGP、USB、IEEE1394等。有些接口也常常被稱為總線，例如AGP接口也常被稱為AGP總線。,,總線的規(guī)范主要從以下五個方面來描述總線的功能和特性。邏輯規(guī)范時序規(guī)范電器規(guī)范機械規(guī)范通信協(xié)議,總線標準,總線的分類,總線的性能,決定因素：,帶寬單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（MB/s）寬度總線的線纜數(shù)(位)時鐘頻率代表總線上操作的快慢（hz）負載能力連接模塊的最大數(shù)目,總線的組成與結(jié)構(gòu),總線的組成,邏輯構(gòu)成：,連接各個功能模塊的信號線,管理總線作用的總線控制器,總線的組成與結(jié)構(gòu),總線互連機制,數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線,數(shù)據(jù)總線為系統(tǒng)部件之間提供傳輸數(shù)據(jù)的通路。,1雙向傳輸2數(shù)據(jù)線的數(shù)目一般與計算機字長相同3采用三態(tài)能力的電路(高電位態(tài)（＋5v伏特）、低電位態(tài)（0v伏特）、高阻態(tài)),數(shù)據(jù)總線,地址總線的作用是傳送地址信號，它不僅用于傳送內(nèi)存地址，而且計算機系統(tǒng)對I/O端口的尋址也要通過地址總線來完成。特點是：1單向傳輸2地址線的數(shù)目決定尋址能力的大小,地址總線,控制總線上傳送一個部件對另一個部件的控制信號，以控制系統(tǒng)完成規(guī)定的操作功能。控制總線可用于控制數(shù)據(jù)總線和地址總線的使用。控制總線的特點是：單向傳輸控制線的類型和數(shù)目決定于總線類型,控制總線,總線控制器——控制和分配總線的使用,總線系統(tǒng)的資源分配與管理,提供總線定時信號脈沖,負責總線使用權(quán)的仲裁,總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換,傳輸數(shù)據(jù)的緩沖,按邏輯功能劃分：總線主設(shè)備、總線從設(shè)備總線主設(shè)備是總線操作的發(fā)起者，負責全面的總線控制；總線的從設(shè)備不能引發(fā)總線操作，只能作為總線操作的對象。按在信息交換中的地位劃分可分為：總線源設(shè)備、總線目的設(shè)備源設(shè)備是發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備目的設(shè)備是接收數(shù)據(jù)的設(shè)備。注意源設(shè)備未必是主設(shè)備，目的設(shè)備也未必是從設(shè)備。,總線上的設(shè)備分類,總線的組成與結(jié)構(gòu),總線的結(jié)構(gòu),,總線的組成與結(jié)構(gòu),PCI（外圍部件互連專業(yè)組）局部總線PCI總線是基于分層多層次總線設(shè)計思想而設(shè)計的一種總線。最初，PCI是一種局部總線，如今，PCI總線扮演了系統(tǒng)總線的角色，PCI總線具有以下特點：,,較高的總線帶寬——最大4.264GB/s支持數(shù)據(jù)塊傳輸——高速磁盤和高速網(wǎng)卡支持多個設(shè)備成為總線的主控設(shè)備——多CPU獨立于微處理器的總線——與具體CPU的體系無關(guān)數(shù)據(jù)總線和地址總線可以分時復(fù)用——雙樣性電源支持+5V和+3.3V兩種支持即插即用(P&P)——plug&play高可靠性——奇偶校驗保證完整性和準確性,總線的組成與結(jié)構(gòu),PCI（外圍部件互連專業(yè)組）局部總線,定義了100根信號線，其中50根必備信號線，分成以下六組：,1地址與數(shù)據(jù)分時復(fù)用信號線、命令總線和奇偶校驗總線2系統(tǒng)信號線，時鐘和復(fù)位信號線3接口控制線，主從設(shè)備的選擇，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯??？刂菩盘柧€4仲裁線，設(shè)備總線申請和應(yīng)答信號線5中斷信號線，中斷請求和應(yīng)答信號線6出錯報告線，奇偶校驗錯誤和其他總線操作錯誤,,總線的組成與結(jié)構(gòu),PCI（外圍部件互連專業(yè)組）局部總線,,總線的組成與結(jié)構(gòu),USB(UniversalSerialBus)通用串行總線,采用通用連接器和自動配置及熱插拔技術(shù)和相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)資源共享和外設(shè)的簡單快速連接。,Hub設(shè)備：完成USB設(shè)備的添加、插拔檢測和電源管理等功能?？梢韵蛳聦釉O(shè)備提供電源和設(shè)置速度類型并且能為其他USB設(shè)備提供擴展端口。,功能設(shè)備：在總線上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)或控制信息，完成某項具體功能的硬件設(shè)備。如鼠標，鍵盤等。一種功能設(shè)備就是一種插在Hub上的外設(shè)。,總線的組成與結(jié)構(gòu),USB(UniversalSerialBus)通用串行總線,USB數(shù)據(jù)流類型：控制信號流，塊數(shù)據(jù)流，中斷數(shù)據(jù)流，實時數(shù)據(jù)流。傳輸類型：控制傳輸；批傳輸；中斷傳輸；等時傳輸,總線的組成與結(jié)構(gòu),高性能串行總線標準IEEE1394,主要性能特點：,1、通用性強。,一個接口上最多可連接63個不同種類的設(shè)備。,2、傳輸速率高。最高可達3.2Gb/s,3、實時性好。4、總線提供電源。5、系統(tǒng)中各設(shè)備之間的關(guān)系是平等的。6、連接方便。允許熱插拔和即插即用。,總線的組成與結(jié)構(gòu),AGP局部總線,AGP—AcceleratedGraphicsPort是由Intel所提出的總線界面標準，通常AGP顯示卡都是使用單獨的AGP總線,主存儲器與顯卡直接相連,數(shù)據(jù)傳輸速率是PCI的數(shù)倍,數(shù)據(jù)傳輸速率是PCI的數(shù)倍,一塊主板上只可以有一個AGP插槽,點對點的方式與存儲器連接,總線的組成與結(jié)構(gòu),DMA通道,直接存儲器訪問（DirectMemoryAccess）,在外設(shè)和主存之間直接開辟一條數(shù)據(jù)通道，在不需要CPU干預(yù)也不需要其他軟件介入的情況下在兩者之間進行高速數(shù)據(jù)傳送方式。,總線的組成與結(jié)構(gòu),DMA通道,DMA控制器,在DMA傳送方式中，對數(shù)據(jù)傳送過程進行控制的硬件成為DMA控制器,DMA方式的過程,當外設(shè)需要進行數(shù)據(jù)傳送時，通過DMA控制器向CPU提出DMA傳送請求，CPU響應(yīng)之后將讓出系統(tǒng)總線，由DMA控制器接管總線進行數(shù)據(jù)傳送。,總線的組成與結(jié)構(gòu),DMA通道,DMA控制器的基本組成,1主存地址計數(shù)器——數(shù)據(jù)地址2傳送長度計數(shù)器——數(shù)據(jù)塊長度3數(shù)據(jù)緩沖寄存器——數(shù)據(jù)4DMA請求觸發(fā)器5控制/狀態(tài)邏輯6中斷機構(gòu),總線的組成與結(jié)構(gòu),DMA通道,DMA控制器的功能——傳送數(shù)據(jù)過程中，完全代替了CPU的控制,1接受請求，并向CPU發(fā)送總線請求2當CPU響應(yīng)后，并發(fā)出響應(yīng)信號后，控制器接管對總線的控制，進入DMA傳送。3確定數(shù)據(jù)的地址和長度，自動修改地址計數(shù)器和長度計數(shù)器4識別數(shù)據(jù)傳送方向，發(fā)出讀寫信號并傳送5向CPU報道DMA傳送結(jié)束,總線的組成與結(jié)構(gòu),DMA通道,DMA傳送過程,1DMA預(yù)處理2數(shù)據(jù)傳送3DMA的后處理,總線的組成與結(jié)構(gòu),DMA通道,DMA方式的特點1它使主存與CPU的固定聯(lián)系脫鉤，主存即可被CPU訪問也可以被外設(shè)訪問2在數(shù)據(jù)塊傳送時，主存地址的確定，傳送數(shù)據(jù)的計數(shù)等都是用硬件電路實現(xiàn)的。,3主存中開辟專用的緩沖區(qū)，及時供給和接受外設(shè)數(shù)據(jù)4DMA傳送速度快，CPU和外設(shè)并行工作，提高了系統(tǒng)的效率5DMA在開始前和結(jié)束后要通過程序和中斷方式進行預(yù)處理和后處理,總線的組成與結(jié)構(gòu),DMA通道,DMA方式的特點,總結(jié),總線,系統(tǒng)總線,主板總線,將CPU和主存聯(lián)系,擴充總線,PCI總線,可同時支援多個周邊設(shè)備,AGP總線,以點對點方式,由主存直接和AGP顯卡相連,USB總線,速度,USB1.012Mbps,特性,提供電源,支持多媒體,最多可連接127個裝置,IEEE1394總線,速度,400Mbps,特性,最多63個裝置,總結(jié),總線的種類總線標準涉及的方面總線的性能指標總線的組成PCI總線的特點,作業(yè),書上第1、2、3、4題,